某型艦炮液壓系統可靠性分析及技術改進?

劉志偉 李法忠 方艷紅

（1.海軍士官學校 蚌埠 233012）（2.北部戰區海軍參謀部軍訓處 青島 266231）

關鍵字 艦炮液壓系統；可靠性；故障樹；蒙特卡洛仿真

1 引言

某型艦炮液壓系統為整座艦炮提供液壓動力并完成全炮除方向與高低隨動之外的全部動作和功能，實現炮彈從儲彈位直到發射的全過程，并且具有引信測合、安全保護等多項功能。液壓系統的可靠性程度是影響該炮作戰使用效能的關鍵因素。

目前可靠性分析領域存在多種分析方法，但均不同程度的存在一定的缺陷。在進行裝備可靠性分析時需根據裝備實際情況合理選擇分析方法進行論證。由于該型艦炮液壓系統包含許多基本部件，且各部件的壽命分布并不完全服從指數分布，這就對該型艦炮液壓系統的可靠性分析造成了很大的困難。為有效解決基本部件壽命服從多種分布的系統可靠性現實情況，更加精確迅速地分析可靠性問題，本文采用基于經驗函數修正的蒙特卡洛仿真抽樣算法對該型艦炮液壓系統的可靠性進行分析。

2 某型艦炮液壓系統可靠性故障樹分析

某型艦炮的液壓系統作為一個復雜系統，用于為整個艦炮提供液壓動力并完成全炮除方向與高低隨動之外的全部動作與功能，實現炮彈傳輸直至發射的全過程，并且具有引信測合、安全保護等項功能。

該炮液壓系統可靠性取決于各子系統的可靠性及各子系統之間的相互關系，而各子系統的可靠性又由組成它們的所有零部件的可靠性所決定，故以某型艦炮液壓系統的功能及液壓控制范圍為子系統劃分依據基礎，劃分出五個分系統：分系統一，為全炮提供液壓動力；分系統二，驅動儲彈部分及揚彈系統運轉，向炮塔輸送炮彈；分系統三，驅動供彈系統有選擇性的將炮彈運送至發射系統；分系統四，驅動發射系統和引信測合機，完成炮彈發射和引信轉角設定；分系統五，向炮架供油并完成將來自于液壓中心的壓力油經過濾、減壓、穩壓后向其他分系統供油。

經統計，該型艦炮液壓系統共包括5個液壓馬達（電液伺服馬達3個、步進控制液壓馬達1個、齒輪液壓馬達1個），31個液壓油缸、液壓鎖、58個液壓控制閥，2個液壓泵，27個液壓輔件，組成了液壓系統最小割集庫。綜合上述分析建立某型艦炮液壓系統故障樹模型如圖1所示。

圖1 某型艦炮液壓系統故障樹

故障樹建模過程作如下假設：

1）各最小割集故障和失效率相互獨立；

2）各最小割集的狀態只有兩種：正常、故障；

3）人為因素或外界干擾對系統可靠性的影響忽略不計。

3 某型艦炮液壓系統可靠性蒙特卡洛仿真分析

某型艦炮液壓系統共5個分系統，58個最小割集，用P表示液壓系統，Si表示第i個分系統，Sij表示第i個分系統中第j個最小割集。已知每個最小割集的失效分布函數Fij(t)(t=1，2…n)，用φ(xt)表示液壓系統故障樹結構函數。Fij(t)(t=1，2…n)和φ(xt)取值為1時，表示失效事件發生；取值為0時，表示失效事件未發生。

運用蒙特卡洛方法，對每個最小割集進行抽樣，取得第i個分系統第j個最小割集失效的時間抽樣值為ti=F-1ij(η)。由于只要有一個最小割集失效事件發生，該炮液壓系統失效事件就會發生，故以Q代表液壓系統失效事件發生，有Q=min(T1，T2…T58)，其中Tn表示第n個最小割集發生失效時間的時間。重復計算該炮液壓系統失效事件發生Q的值m次，將Qm的值與給定的標準時間值tm進行比較，如果液壓系統失效事件在給定標準時間值tm內發生說明系統失效，累計tm時間內失效次數Nm，則在給定標準時間值tm內該炮液壓系統失效的概率為

為了使仿真分析獲取的數據信息能夠完整的體現艦炮液壓系統可靠性特性，這里采用一種通過指數函數擬合右尾部樣本的方式，擴大樣本取值范圍，進而增加仿真可信度。

選擇S0ij(0

在基準樣本之后利用經驗修正分布函數對樣本抽樣過程進行修正，并確保修正前后經驗分布均值與樣本均值一致，經驗修正分布函數為

經迭代計算后得到樣本均值為

系統失效率為

系統的平均壽命為

4 可靠性仿真及技術改進

采用基于經驗函數修正的蒙特卡洛仿真方法，在計算機上用Matlab語言編寫程序，對該炮液壓系統可靠性進行仿真。取抽樣次數m=100000，時間間隔為200h。仿真流程如圖2所示，仿真結果如圖3所示。

圖2 仿真流程圖

圖3 抽樣仿真結果

由抽樣結果可見，在設定的抽樣次數內仿真結果趨于穩定，滿足精度要求。液壓系統各最小割集可靠性指標如表1所示。

表1 系統最小割集可靠性指標

該炮液壓系統失效率總計為1321.48×10-6次數/h，平均無故障工作時間MTBF為756.72h，滿足該炮MTBF為400h的可靠性指標要求。

針對上述對該炮液壓系統各元器件可靠性研究及數據分析，這里提出了幾點提高工作可靠性的措施及技術改進方案：

1）對液壓系統電器元器件進行老化篩選，及時更換；

2）因壓力反饋在系統中作用較小，故進行了設計改進取消部分壓力傳感器；

3）重新設計液壓軟管的長度，消除其預應力，以適應安裝要求；

4）針對電磁閥切換不可靠的情況，設計改進部分常開電磁閥；

5）針對伺服馬達時常發生停車超限、過載等故障，經改進設計采取適量增大伺服閥遮蓋量并完善應急制動閥的加工、調試試驗質量控制程序；

6）加強采購產品質量控制，選用優質產品，加強進貨檢驗；

7）加強系統裝配、循環清洗、調試試驗過程控制，排除因裝配錯誤、循環清洗不到位、調試不當等引起的早起故障；

8）杜絕液壓零件在裝配時的外界污染物的侵入；

9）加強設計過程控制，提高設計質量，從而提高系統可靠性。

5 結語

可靠性分析是目前艦炮武器裝備研究的一項重要內容。本文根據某型艦炮液壓系統的實際功能劃分及基本組成情況分析最小割集庫并構建故障樹，運用基于經驗函數修正的蒙特卡洛仿真抽樣算法對系統可靠性進行分析。通過仿真結果可知液壓系統失效率總計為1321.48×10-6次數/h，平均無故障工作時間MTBF為756.72h，滿足該炮液壓系統可靠性指標要求。作為液壓系統最小割集的液壓缸和液壓輔件失效率偏高，屬于液壓系統可靠性的薄弱環節。據此，文中提出了提高某型艦炮液壓系統工作可靠性的措施及相應的技術改進方案。